انابيب الكربون النانوية ,الخصائص والتركيب

نبذة عن الانابيب النانوية الكربونية

الانابيب النانوية الكربونية “carbon nanotubes” هي تركيبات نانوية أسطوانية الشكل متناهية الصغر. ويلاحظ ان قطر الأنبوبة يتراوح بين 1 و100 نانومتر، بينما يتراوح طولها بين مئات النانومترات وبعض السنتيمترات.أنابيب النانو الكربونية التي يرمز لها اختصارا ب CNTs هي ببساطة جزيئات کربون،كيميائيا من عائلة الجرافيت والماس،لكنها أقوى من الماس حيث إن قوة الرابطة تزداد كلما قصرت.ولتلك الانابيب الكربونية سمات جديدة، تجعلها مفيدة في العديد من التطبيقات في مجال التقنيات متناهية الصغر،والإلكترونيات، والبصريات، بالإضافة إلى العديد من المجالات الأخرى ذات الصلة بعلم المواد، وكذلك مجموعة أخرى من الاستخدامات المتوقعة في مجالات الهندسة المعمارية.

تنقسيم الأنابيب النانوية إلى انابيب نانوية أحادية الجدار وانابيب نانوية متعددة الجدر.علاوة على أن الانابيب النانوية تصطف ذاتها في صورة  أحبال معقودة مقا بواسطة قوى فان دير فال .وفيما يلي سنذكر أنواع أنابيب الكربون النانوية:

• حلزونية مزدوجة
• طبقية
• حلقية
• مخروطية النهاية

تركيب انابيب النانو

هناك نوعان من انابيب النانو الكربونية، وهي كما ذكرنا سابقا أنابيب النانو الكربونية وحيدة الجدار وانابيب النانو الكربونية متعددة الجدار:

انبوب النانو الكربوني وحيد الجدار

يتراوح قطره بين 0.7 نانومتر و 10 نانومتر،وفي أغلب الحالات يكون معدل قطره في حدود 2 نانومتر، بينما يصل طوله إلى عدة ميكرومترات، له نهاية واحدة مغلقة على الأقل، وذلك بتركيب نصف كروي يشبه القبعة، وسماكة جدار هذا الأنبوب هي ذرة كربون واحدة،فهو عبارة عن شريحة كربون (شريحة جرافيت) ذات سماكة ذرة واحدة تطوى على شكل أسطوانة.

انبوب النانو الكربوني متعدد الجدر

هو عبارة عن مجموعة من انابيب النانو وحيدة الجدار المتداخلة وذات المركز المتحد، ويتراوح قطر هذا الأنبوب بين 10 نانومتر و 30 نانومتر، ويبلغ عدد الانابيب وحيدة الجدار المكونة له غالبا ما بين 7 و 20 أنبوبا .وبالنظر إلى التركيب المجهري وذلك على مستوى التركيب البنائي الدقيق لأنبوب النانو الكربوني، نجد أن هذا الأنبوب له وحدة بناء، مكونة من ست ذرات کربون تتخذ الشكل السداسي ، ويجدر الإشارة هنا إلى أن انابيب النانو الكربونية تنقسم إلى ثلاثة أنواع هي تركيب كتف الكرسي بزاوية ربط 30 درجة والتركيب المتعرج  بزاوية 38 وتركيب تشارول بزاوية بين صفر و30 درجة.

خواص انابيب الكربون النانوية

عند المستوى الدقيق (النانو)، نجد أن الخواص الطبيعية والكيميائية والبيولوجية تختلف جوهريا، وغالبا بشكل غير متوقع عن تلك المواد الكبيرة الموازية لها بسبب أن خواص الكمية الميكانيكية للتفاعلات الذرية، يتم التأثير عليها بواسطة التغيرات في المواد على المستوى الدقيق. وفي الواقع فإنه من خلال تصنيع أجهزة طبقا لمعيار النانومتر يمكن السيطرة على الخصائص الجوهرية للمواد بما في ذلك درجة الانصهار والخواص المغناطيسية وحتى اللون بدون تغير التركيب الكيميائي لها.

1- الخواص الميكانيكية

• تعتبر أنابيب الكربون الثانوية من أقوى المواد المعروفة على الإطلاق.وتنشأ هذه القوة بسبب وجود الروابط التساهمية القوية بين ذرات الكربون وبعضها البعض.
• تمتلك مقاومة شد عالية جدا، وهذا يعني قوة مقاومتها لأي ضغط أو جهد عليها.
• قوية جدا ومن الصعب جدا كسرها، كما أن لها معامل مرونة عاليا جدا، ويعني هذا مقاومتها لأي تغير في طولها أو مساحة مقطعها عند تحميلها بوزن كبير.
• تبلغ كثافة أنابيب الكربون الثانوية حوالي 1.4 – 33 جم سم ، وهذا يعني أنها خفيفة جدا مقارنة بمواد مثل الألمونيوم والحديد.
• لانابيب الكربون النانوية قوة نوعية عالية جدا، والقوة النوعية تربط القوة بالوزن، فكلما كانت المادة أقوي وأخف كان لها قوة نوعية أعلى.

2- الخواص الحركية

تمتلك أنابيب الكربون النانوية متعددة الطبقات خاصية تلسكوبية مما يعني سهولة انزلاق الطبقة الداخلية عن الطبقة الخارجية تقريبا بدون احتكاك، سواء على شكل انزلاق خطي أو دوراني. وتشبه في ذلك السنارة التي تقفل وتصبح عصا صغيرة.

3- الخواص الكهربية

كما ذكرنا من قبل يؤثر ترتيب الذرات على قدرة الأنبوبة على توصيل الكهرباء ، فنجد أن انابيب الكربون الثانوية ذات التركيب كتف الكرسي لها خواص الموصلات الفلزية بينما التركيب المتعرج وتركيب تشارول تعتبر أشباه موصلات. وتمتلك أنابيب الكربون النانوية خاصية تسمى النقل الإلكتروني القذفي ، وهذا يعني أنها موصلات ممتازة على طول الأنبوبة. وتستطيع انابيب الكربون الفلزية أن تحمل تیارا کهربا أعلى 1000 مرة من قدرة موصل جيد للكهرباء مثل النحاس.

بعد اكتشاف أنابيب الكربون الثانوية ومعرفة خواصها الكهربية فكر العلماء بإمكانية عمل موصل للكهرباء بالكامل من أنابيب الكربون النانوية، حيث تتكون من طبقتين الداخلية موصلة للكهرباء بينما الخارجية عازلة للكهرباء.

4- الخواص الحرارية

انابيب الكربون النانوية موصلات حرارية ممتازة على طول الأنبوبة وتقريبا عازلة عموديا على محور الأنبوبة مما يسمى التوصيل القذفي. ومن المتوقع أن تبلغ قدرة انابيب الكربون النانوية على توصيل الحرارة حوالي 6000 واط / متر / كلفن في درجة حرارة الغرفة العادية،مقارنة بالنحاس الذي يبلغ قدرته على التوصيل 385 واط / متر / كلفن. والثبات الحراري لأنابيب الكربون النانوية حوالي 2800 درجة مئوية في الفراغ وحوالي 750 درجة مئوية في الهواء،وهذا يعني أنها تظل محتفظة بخواصها وبناء مادتها حتى تصل لدرجات الحرارة المرتفعة هذه.

تصنيع انابيب الكربون النانوية

تلك الأنابيب النانومترية قوية بدرجة لا تصدق فهي أقوى بمئات المرات من الصلب، ويرجع ذلك جزيئية إلى شكلها الهندسي السداسي.وبالتالي فهي مواد صعبة التصنيع تحتاج الى تقنيات مخصصة ،ومهندسين متخصصين في علوم النانو تكنولوجي.وبالرغم من ذلك هناك عددا من التقنيات يتم اختبارها واستخدامها من اجل توفير طرق غير مكلفة لتصنيع هذه الأنابيب واستخدامها بشكل أكبر وأوسع.

باختلاف طرق عمل الانابيب النانومترية، تكون لها خواص إلكترونية مختلفة. فبعضها يتوقع أن يكون معدنيا بينما يكون البعض الآخر أشباه موصلات.توجد طرق عديدة لإنتاج جزيئات الكربون المكونة من الأنابيب النانومترية، وهي تتلخص في :

• عمل تحليل كهربي باستخدام أقطاب من الجرافيت في أملاح منصهرة
• تحليل حراري محفز للهيدروكربونات.
• تبخير للجرافيت باستخدام الليزر.